复合材料泡沫夹层结构冲击后压缩数值模拟分析

       复合材料泡沫芯夹层结构是飞行器中常用的结构形式，但由于夹层结构的层间性能和抵抗低速冲击性能较弱，在低速冲击荷载的作用下，会造成面板基体开裂和纤维断裂、夹芯压塌、面板和芯材间的界面脱胶等多种失效，导致夹层结构承载能力的下降。本文通过大型商用有限软件ABAQUS对复合材料泡沫夹层结构的低速冲击及冲击后含损伤的夹层结构在压缩载荷作用下损伤扩展的全过程进行模拟研究，预测分析夹层结构低速冲击后的剩余压缩强度。研究发现夹层结构的损伤尺寸随冲击能量的增加而增大，残余凹痕深度也随之增加，而其剩余压缩强度随着冲击能量的增加而降低。有限元模拟的结果与已有的实验结果相一致，验证了此有限元模拟方法的可行性和正确性，为以后的泡沫夹层结构的研究和应用提供了有效方法。

       复合材料夹层结构由于具有高比强度和高比刚度，耐疲劳、耐腐蚀、抗振动性能好，并能有效吸收冲击载荷，同时又能通过选择适当的面板、芯材和黏结剂，满足各种使用条件下的要求等优点，被广泛地用于各种结构中，特别是应用在航空航天和民用工业中，以达到减重、隔音等设计目的。复合材料夹层板和复合材料层合板相仿，其抵抗低速冲击的性能很差，受冲击后其内部损伤形式和受载后损伤的扩展过程及破坏行为更为复杂，目前复合材料夹层板的冲击损伤研究是复合材料结构领域的热点问题之。复合材料夹层结构的破坏也是一个十分复杂的问题，它有多种破坏模式。对于不同的破坏模式，复合材料夹层结构有不同的强度，如何知道一个实际的复合材料夹层结构在复杂的外载荷条件下的破坏模式及强度一直是人们研究的重点。国内外的许多学者在不同的时期，采用不同的方法对这个问题都进行了研究，其研究范围涵盖了泡沫夹层结构的理论分析、夹芯的细观结构理论分析、数值模拟、试验以及增强技术等。

       冲击损伤的剩余强度问题，是目前复合材料损伤容限研究领域中，最为人们关注的研究课题。对冲击后剩余强度的研究主要基于4种方法：(1)软化夹杂法，即将冲击损伤等效为规则形状的软化夹杂，然后采用基于各种破坏准则的点应力或平均应力判据确定板的失效强度；(2)层屈曲法，将冲击损伤看作大小不同的多个规则形状的分层，认为压缩破坏过程是各个子层不断发生屈曲失效的过程，当所有予层都屈曲时，层板发生破坏；(3)开口等效法，用一个圆孔或椭圆孔取代冲击损伤，之后用孔边断裂韧性判据来判断板的破坏；(4)损伤累积法，利用动态有限元计算层板的冲击损伤的刚度降，作为板的初始损伤，用损伤累积法模拟板的压缩破坏过程，并计算剩余压缩强度。

       由于夹层结构的层间性能和抵抗低速冲击性能较弱，在低速冲击荷载的作用下，会造成面板基体开裂和纤维断裂、夹芯压塌、面板和芯材间的界面脱胶等多种失效，导致夹层结构承载能力的下降。本文主要通过有限元软件ABAQUS对复合材料泡沫夹层结构的低速冲击及冲击后含损伤的夹层结构在压缩载荷作用下损伤扩展的全过程进行模拟研究，预测分析夹层结构低速冲击后压缩的剩余强度。研究发现夹层结构的损伤尺寸随冲击能量的增加而增大，残余凹痕深度也随之增加，而其剩余压缩强度随着冲击能量的增加而降低。正确评估复合材料泡沫芯夹层结构的破坏，就可以为夹层结构的检修和更换提供依据，也能为设计师提供参考数据，对于了解复合材料夹层结构的损伤容限很重要，为泡沫夹层结构的研究和应用提供了有效方法。

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